使用 openssl 进行 DH 密钥交换
在我之前的博客中聊到了 DH 密钥交换的原理 . 这里来讨论如何使用 OPENSSL 进行 DH 密钥交换。
一 原理验证
OPENSSL 提供了一系列API, 可以在方便地进行大数计算。在这里我们先对 DH 密钥交换的原理 中讲到的原理进行代码级别的验证。对原理不感兴趣的可以跳过这一小节。
由于在 DH 密钥交换过程中,大部分的操作过程都是一样的,可以定义一个基类来抽象:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 |
class DHBase { public: DHBase() : m_pri_key(NULL) {} virtual ~DHBase() { if (m_pri_key) BN_free(m_pri_key); }; const BIGNUM *GetSharedNum() { if (!m_pri_key) GenRandomData(); BN_CTX *ctx = BN_CTX_new(); const BIGNUM *g = DH_get0_g(m_dh); const BIGNUM *p = DH_get0_p(m_dh); BIGNUM *r = BN_new(); // r = g ^ m_pri_key % p int rst = BN_mod_exp(r, g, m_pri_key, p, ctx); assert(rst == 1); BN_CTX_free(ctx); return r; } BIGNUM *GenKey(const BIGNUM *shared_num) { if (!m_pri_key) GenRandomData(); BIGNUM *key = BN_new(); BN_CTX *ctx = BN_CTX_new(); // key = shared_num ^ m_pri_key % p int rst = BN_mod_exp(key, shared_num, m_pri_key, DH_get0_p(m_dh), ctx); assert(rst == 1); BN_CTX_free(ctx); std::cout << m_name << ": received shared num: " << GetNumString(shared_num) << std::endl; std::cout << m_name << ": generated KEY: " << GetNumString(key) << std::endl; return key; } std::string GetName() { return m_name; } static std::string GetNumString(const BIGNUM *num) { return BN_bn2hex(num); } private: void GenRandomData() { assert(m_dh); m_pri_key = BN_new(); int rst = BN_rand_range(m_pri_key, DH_get0_p(m_dh)); assert(rst == 1); while (BN_is_zero(m_pri_key)) { BN_rand_range(m_pri_key, DH_get0_p(m_dh)); } std::cout << m_name << ": generated the private num" << std::endl; } protected: DH *m_dh; std::string m_name; private: BIGNUM *m_pri_key; }; |
m_pri_key
是双方生成的私密随机数。GetSharedNum()
返回双方交换的中间变量G^A mod P
GenKey()
即完成了密钥交换,返回交换成功后的密钥。
DH交换发起方的类如下:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 |
class DHRequest : public DHBase { public: DHRequest() : m_dh_nid(NID_ffdhe8192) { m_dh = DH_new_by_nid(m_dh_nid); m_name = "REQUEST"; } int GetDHNid() { return m_dh_nid; } private: int m_dh_nid; }; |
m_dh_nid
是 OID (ObjectID 对象标识)
的延伸。OID 是由国际电信联盟(ITU)和ISO/IEC标准化的标识符机制,用于以全局明确的持久名称命名任何对象、概念或“事物”的一组数字。NID (NameID)
则是与 OID 相对应的一个字符串名称;在 DH 密钥交换中,NID 可以是 NID_ffdhe2048
, NID_ffdhe3072
, NID_ffdhe4096
, NID_ffdhe6144
或 NID_ffdhe8192
中的一种。每一种 NID 背后都是由密码学专家或组织精心设计的一组数据 DH(内容包括 G,P等)
。当然,我们也可以设计使用自己的数据。
密钥交换接受方的类如下:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
class DHResponse : public DHBase { public: DHResponse(int dh_nid) { m_name = "RESPONSE"; m_dh = DH_new_by_nid(dh_nid); std::cout << m_name << ": received DH param (G,P)" << std::endl; } }; |
最后来看 DH 密钥交换的过程:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 |
int main() { init_openssl(); DHRequest request; DHResponse response(request.GetDHNid()); const BIGNUM *req_shared_num = request.GetSharedNum(); const BIGNUM *res_shared_num = response.GetSharedNum(); BIGNUM *request_key = request.GenKey(res_shared_num); BIGNUM *response_key = response.GenKey(req_shared_num); int cmp = BN_cmp(request_key, response_key); assert(cmp == 0); clean_openssl(); return 0; } |
可以看到,整个过程中,交换的数据只有 nid
和 shared_num
。最终双方生成的 key 是相同的,完成了密钥交换。
1 2 3 4 5 6 7 |
RESPONSE: received DH param (G,P) REQUEST: generated the private num RESPONSE: generated the private num REQUEST: received shared num: 04066791E05CEDC8C630544043CA2FE9 ... 2B541ED73 REQUEST: generated KEY: 56E45AFDF14856C858899D5E13890693 ... 19066BBD1 RESPONSE: received shared num: 4A7B96C1D952DEC5486FF95DC3FF749D ... B80492A83 RESPONSE: generated KEY: 56E45AFDF14856C858899D5E13890693 ... 19066BBD1 |
二. OPENSSL 进行 DH 密钥交换
最主要的结构体为 typedef struct dh_st DH;
, 原型 dh_st
定义在文件 dh_locl.h
中:
1 2 3 4 5 6 7 8 |
struct dh_st { // ... BIGNUM *p; BIGNUM *g; BIGNUM *pub_key; /* g^x % p */ BIGNUM *priv_key; /* x */ // ... }; |
DH 的生成有多种方式,如前面说的 DH_new_by_nid
, 还有后面用到的 DH_generate_parameters_ex
.此外还有从 BIO 等生成 DH 的方法。
1 2 3 |
int DH_generate_parameters_ex(DH *dh, int prime_len,int generator, BN_GENCB *cb); int DH_generate_key(DH *dh); int DH_compute_key(unsigned char *key, BIGNUM *pub_key, DH *dh); |
DH_generate_parameters_ex
: 用于生成一个随机的 DH 结构体- 参数
prime_len
是生成的质数 p 的位长度。 - 参数
generator
是一个大于 1 的很小的数,一般是2 或 5
。
- 参数
DH_generate_key
: 用于生成公钥和私钥, 不要和 RSA 的公私钥弄混,这里的公钥是指和双方交换的数 G^a % P, 这里的私钥指双方保留的私密数字DH_compute_key
用于计算最后交换的结果密钥- 参数
key
即是结果密钥。其长度可以使用DH_size()
计算 - 参数
pub_key
是从对方获取的交换数。
- 参数
一个密钥交换的示例如下:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 |
#include <openssl/dh.h> #include <openssl/evp.h> #include <openssl/bn.h> class Request { public: Request() { m_dh = DH_new(); int rst = DH_generate_parameters_ex(m_dh, 512, 2, NULL); rst = DH_check(m_dh, &rst); assert(rst == 1); DH_generate_key(m_dh); } ~Request() { if (m_dh) DH_free(m_dh); } void GetSharedNums(BIGNUM *&p, BIGNUM *&g) { assert(m_dh); p = BN_dup(DH_get0_p(m_dh)); g = BN_dup(DH_get0_g(m_dh)); } void GetPubKey(BIGNUM *&pubkey) { assert(m_dh); pubkey = BN_dup(DH_get0_pub_key(m_dh)); } std::string GetPriKey(const BIGNUM *pubkey) { int sz = DH_size(m_dh); unsigned char *key = (unsigned char *) malloc(sz); DH_compute_key(key, pubkey, m_dh); std::string ret(reinterpret_cast<char *>(key)); free(key); return ret; } private: DH *m_dh; }; class Response { public: Response() : m_dh(NULL) {} ~Response() { if(m_dh) DH_free(m_dh); } bool Init(BIGNUM *p, BIGNUM *g) { if (!m_dh) { m_dh = DH_new(); } int rst = DH_set0_pqg(m_dh, p, 0, g); assert(rst == 1); rst = DH_generate_key(m_dh); return rst == 1; } void GetPubKey(BIGNUM *&pubkey) { assert(m_dh); assert(DH_get0_priv_key(m_dh)); pubkey = BN_dup(DH_get0_pub_key(m_dh)); } std::string GetPriKey(const BIGNUM *pubkey) { assert(m_dh); unsigned char *key = (unsigned char *) malloc(DH_size(m_dh)); int rst = DH_compute_key(key, pubkey, m_dh); if(rst < 0){ printf("%s", ERR_reason_error_string(ERR_get_error())); } std::string ret(reinterpret_cast<char *>(key)); free(key); return ret; } private: DH *m_dh; }; int main(void) { //init_openssl(); DH *m_dh = DH_new(); int rst = DH_generate_parameters_ex(m_dh, 512, 2, NULL); rst = DH_check(m_dh, &rst); assert(rst == 1); const BIGNUM *ppp = DH_get0_p(m_dh); BIGNUM *x = BN_dup(ppp); Request request; BIGNUM *p = NULL, *g = NULL; request.GetSharedNums(p, g); Response response; bool init = response.Init(p, g); assert(init); BIGNUM *pubkey_of_request = NULL, *pubkey_of_response = NULL; request.GetPubKey(pubkey_of_request); response.GetPubKey(pubkey_of_response); std::string key1 = request.GetPriKey(pubkey_of_response); std::string key2 = response.GetPriKey(pubkey_of_request); int cmp = key1.compare(key2); assert(cmp == 0); //clean_openssl(); return 0; } |